專利名稱：一種卷到卷間歇式柔性基材傳輸?shù)膹埩刂品椒把b置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體封裝裝備制造領域，具體涉及一種柔性基材巻到巻間歇式進給時的張力控制方法及裝置，尤其適合于射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)電子標簽封裝中柔性基材傳輸中張力的控 制。
背景技術：
巻到巻(Roll-to-Roll)是指通過滾輪結構對連續(xù)的柔性薄膜材料進行轉 換(Converter)和傳輸(Transport)的技術。 一般由放料輥、驅動輥、收料輥 以及若干導向輥組成。巻到巻傳輸既可采用連續(xù)進給的傳輸方式，也可通 過間歇式進給方式實現(xiàn)傳輸與定位。由于這種生產(chǎn)方式具有低人力、低生 產(chǎn)成本、高產(chǎn)能和滿足尺寸多樣性等優(yōu)點，因而在紡織、印刷業(yè)和日常用 品等涉及民生的行業(yè)中得到廣泛應用。近幾年來，隨著材料科技的進步和電子技術朝著薄膜化、輕質(zhì)化和柔 性化方向的發(fā)展，柔性薄膜型材料已部分代替印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)作為光電子和半導體產(chǎn)品的基板。如RFID電子標簽封裝中就 采用了包括PVC、 ABS、 PET等塑料薄膜材料以及低成本環(huán)保的紙質(zhì)材料 作為基板。為達到批量化生產(chǎn)、節(jié)省成本和滿足尺寸多樣性的要求，并適 用于柔性基材的首選傳輸方式為巻到巻傳輸。當通過巻到巻技術對柔性材料進行間歇式傳輸與定位時，要求輸送系 統(tǒng)在實現(xiàn)精確地進給和定位的同時保持材料一定的張力。另外，為提高傳 輸效率，要求在傳輸過程中應具有盡可能高的傳輸速度。能否實現(xiàn)上述要 求的關鍵是張力控制。如果張力過大將會引起材料過度拉伸變形，影響產(chǎn) 品的質(zhì)量。在半導體封裝中(如在RFID電子標簽封裝中)，如果張力過大 將導致基板上天線圖案嚴重變形，使得芯片與天線無法準確互聯(lián)，最終造成封裝失敗。同時，隨著速度和加減速的提高，如不能有效地控制張力， 速度的快速變化極易引起大的沖擊張力，不僅會造成基板材料變形，材料 與輥輪間打滑，影響基板的定位精度，甚至引起材料的斷裂和系統(tǒng)無法正 常工作。因此減小因高速運行和高加速度進給引起的張力沖擊，保持材料 張力的穩(wěn)定，對提高輸送裝置的傳輸質(zhì)量和定位精度具有非常重要的意義。 現(xiàn)有的巻到巻間歇式進給的張力控制方法中，為減小間歇式進給時引 起的張力沖擊，通常的做法是對各驅動輥采用速度同步控制，同時通過擺臂或浮動輥等方法來保持材料張力的穩(wěn)定。美國專利說明書US508694公開了一種間歇式進給時張力控制方法。在各料輥速度同步控制的基礎上，為 消除巻繞在放料輥和收料輥上的料巻半徑變化對各料輥線速度同步的影 響，在每次間歇式進給前，通過安裝在擺臂上的電位計來自動修改放料側料輥速度剖面(Profile),其張力調(diào)節(jié)仍然采用調(diào)節(jié)輥來完成。 現(xiàn)有的張力控制方法存在以下不足-1. 采用速度同步控制可以消除因各料輥速度的不同步對基材張力 的影響，但無法消除因各種干擾引起的各料輥位置的不同步造成的基材張 力的變化。2. 由于擺臂或浮動輥具有相對高的機械慣性，因而在高速和高加減 速運行時調(diào)節(jié)張力的性能受到了一定的限制。同時張力控制的精度也受到 了一定的限制。3. 復雜的機械結構也增加了設備的安裝和維護成本。 因而現(xiàn)有的張力控制方法無法滿足半導體封裝中快速間歇式進給時對張力控制的要求。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種巻到巻間歇式柔性基材傳輸?shù)膹埩刂品?法，該方法即使在進給速度快速變化的情況下，仍然能夠避免大的張力沖 擊，自始至終保持其張力的穩(wěn)定性。本發(fā)明的另一目的在于提供實現(xiàn)上述方法的裝置，該裝置即使在進給 速度快速變化的情況下，仍然能夠避免大的張力沖擊，自始至終保持其張一種巻到巻間歇式柔性基材傳輸?shù)膹埩刂品椒?，其中，放料輥和?料輥為從動料輥，驅動輥為主動料輥，該方法具體為單次步進時，采集主動料輥的實際位移，將其與設定的位移參考指令 比較，根據(jù)比較結果控制主動料輥的運動，使主動料輥單次步進的實際位 移與位移參考指令相等，實現(xiàn)主動料輥位移閉環(huán)控制；同時，采集從動料輥與主動料輥間基材的實際張力值和從動料輥的實 際位移，將實際張力值與預定張力值比較，再將比較結果轉化為位移修正 指令，用其修正上述位移參考指令得到從動料輥的實際位移參考指令；將從動料輥的實際位移與實際位移參考指令比較，根據(jù)比較結果控制從動料 輥的運動，使從動料輥單次步進的實際位移與實際位移參考指令相等，實 現(xiàn)從動料輥位移閉環(huán)控制。作為本發(fā)明的改進，所述從動料輥第k+l次步進所需的角度進給量依 據(jù)從動料輥第k次步進的實際角度進給量確定，k為正整數(shù)。一種實現(xiàn)上述張力控制方法的裝置，包括主動料輥執(zhí)行器13、主動料 輥驅動器12、主動料輥位置調(diào)節(jié)器11和主動料輥位移傳感器14依次連接 構成的主動料輥位移閉環(huán)控制電路；以及從動料輥位置調(diào)節(jié)器20、從動料輥驅動器19、從動料輥執(zhí)行器23 和從動料輥位移傳感器22依次相接構成的從動料輥位移閉環(huán)控制電路；從 動料輥位置調(diào)節(jié)器20還通過張力調(diào)節(jié)器16依次連接A/D轉換器15、放大 器17和張力傳感器18。本發(fā)明的技術效果(1) 本發(fā)明可以適應不同進給長度和不同進給速度的變化。通過全局 (位置同步控制)和局部(張力反饋控制)控制組合消除基板變形和摩擦力等因素對張力的影響；(2) 本發(fā)明可適應不同進給長度和不同張力控制要求，通過位移參考指令和張力參考指令的變化和學習實現(xiàn)；(3)本發(fā)明可實現(xiàn)柔性基板快速間歇式進給中精確定位(如lmm定位 精度)的要求。
圖l為巻到巻輸送機構示意圖；圖2為本發(fā)明的張力控制原理框圖；圖3為本發(fā)明放料輥或收料輥的角位移進給量獲取流程圖； 圖4為本發(fā)明實施例裝置結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖對控制原理和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述。 圖1是巻到巻輸送機構示意圖。包括放料輥4、驅動輥7和收料輥9， 并通過柔性材料6將它們耦合在一起。驅動輥7在轉矩fd作用下旋轉與惰 性輥5嚙合，通過摩擦力帶動基板6按要求方向進給，放料輥4在轉矩Tu 和柔性基板張力作用下可以在正反兩個方向轉動，從而帶動纏繞在放料輥4 上的柔性基板展開或纏繞。收料輥9在轉矩Av和基板張力作用下也可以在 正反兩個方向轉動，帶動纏繞在收料輥9上的基板纏繞或展開。放料輥4、 驅動輥7和收料輥9將柔性材料6分成了兩個不同的張力區(qū)，分別稱為放 料側張力區(qū)和收料側張力區(qū)，并稱驅動輥7為主動料輥，放料輥4和收料 輥9為從動料輥。圖2為本發(fā)明的張力控制原理框圖。圖中僅給出了放料側張力區(qū)的張 力控制原理，但該方法也可用于收料側張力區(qū)的張力控制，以及中間區(qū)段 內(nèi)的張力控制。主動料輥執(zhí)行器13和從動料輥23分別驅動輸送機構21中 的驅動輥7和放料輥4轉動。主動料輥位置調(diào)節(jié)器11的輸出經(jīng)主動料輥驅 動器12驅動主動料輥執(zhí)行器13轉動后，帶動驅動輥7轉動。安裝在主動 料輥執(zhí)行器13后端的主動料輥位移傳感器14，用于對驅動輥7當前的實際 位移量進行檢測并與位移參考指令比較，實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。從動料輥位 置調(diào)節(jié)器20的輸出經(jīng)從動料輥驅動器19驅動從動料輥執(zhí)行器23轉動后，帶放料輥4轉動。安裝在從動料輥執(zhí)行器23后端的從動料輥位移傳感器22， 用于對放料輥4實際位移量進行檢測并與位移參考指令比較，實現(xiàn)位置閉 環(huán)控制。安裝在機架(圖中未畫出)上的張力傳感器18用于檢測放料輥4 和驅動輥7間柔性基板6的張力，張力傳感器18的輸出信號經(jīng)放大器17 放大，并通過A/D器15轉換后作為實際張力值與設定張力7;進行比較， 經(jīng)張力調(diào)節(jié)器16調(diào)節(jié)后的值Xt與位移參考指令A疊加得到實際位移指令Xu o下面進一步說明具體的張力控制原理。當柔性基板需要間歇式進給某 一長度時，各執(zhí)行器同時將該進給長度作為位移參考指令，并通過各自獨 立的位置閉環(huán)控制驅動料輥實現(xiàn)同步運動。根據(jù)質(zhì)量守恒定理，當各料輥 實現(xiàn)同步運動時，在單位時間內(nèi)進入該張力區(qū)材料的長度(或質(zhì)量)與出 該張力區(qū)的材料長度(質(zhì)量)相等，因此，在進給速度即使是按任意速度剖面 快速變化時，仍然能夠保持材料內(nèi)部張力的穩(wěn)定。在實際進給時，由于不 可避免地存在摩擦力、各執(zhí)行器動態(tài)特性不一致以及其它干擾因素的影響， 使得進入該張力區(qū)的材料的長度(或質(zhì)量)與出該張力區(qū)的材料長度(或質(zhì) 量)并非完全相等，同時，由于柔性材料彈性模量的不一致，從而造成張力 的波動。為消除上述各種擾動對基板張力的影響，保持張力的穩(wěn)定，對張 力采用了閉環(huán)控制。通過張力傳感器檢測到料輥間基板張力的變化修改從 動料輥的位移參考指令，從而達到保持張力穩(wěn)定的目的。具體地，當需要間歇式運動時，&不為零。對于驅動輥7，按照要求的 位移參考指令Xd通過位置閉環(huán)控制完成進給運動。對于放料輥4，此時位 置調(diào)節(jié)器20 —方面接收進給位移參考指令々，另一方面接收由張力調(diào)節(jié)器 16的輸出xt，將它們之和作為實際位移指令xu，與從動料輥位移傳感器14 檢測到的實際位移比較調(diào)節(jié)后，經(jīng)從動料輥驅動器19驅動從動料輥執(zhí)行器 23產(chǎn)生運動，并帶動放料輥4轉動。例如，當檢測到實際張力值大于設定 值7;時，張力調(diào)節(jié)器16的輸出為負值，經(jīng)反相為正值，使得實際位移指令 jcu =xd^t> a，從而驅動執(zhí)行器23增加放巻速度，以減小張力。當檢測到 實際張力值小于設定值ru時，張力調(diào)節(jié)器16的輸出為正值，經(jīng)反相后為負 值，經(jīng)與位移參考指令a疊加后，使得實際位移指令^<&，通過驅動執(zhí)行器23使得放料輥4旋轉速度減小，以增大實際張力。當無位移參考指令時，即&為零。驅動輥7此時無運動。由于張力的 閉環(huán)控制，此時放料輥4的實際位移指令JCu由張力調(diào)節(jié)器15的輸出xt唯一決定。當張力反饋值大于設定值7;時，張力調(diào)節(jié)器輸出負值經(jīng)反相后為正位移指令，驅動執(zhí)行器13正轉，帶動放料輥4放料，從而減小實際的張力；當張力反饋值大于設定值ru時，張力調(diào)節(jié)器15輸出正值經(jīng)反相后為負位置指令，驅動伺服電機13反轉，帶動放料輥4收料，從而增加實際的張力， 因而保證了在無進給運動時仍然維持了張力的穩(wěn)定。在上述方法中，由于通過位置同步來避免了進給運動時速度的快速變化對張力的影響，因此，根據(jù)要求設定的張力值ru既可以是恒定值，也可以是按某一規(guī)律變化的值，并且可對放料側和收料側可設置不同的張力值 而不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在實際應用中，當采用中心輥驅動時，需要將線位移同步運動指令轉 換為各驅動輥相應的旋轉角位移指令，以便通過角位移傳感器(如編碼器) 實現(xiàn)閉環(huán)控制。另外，對于放料輥和收料輥，由于纏繞在料輥上的料巻巻徑是隨間歇 式進給量的變化非連續(xù)變化的，因此，在每次步進進給前，需要根據(jù)料巻 的巻徑變化預先確定放料輥和收料輥所需的角位移進給量，以保持各料輥線位移同步運動。圖3具體給出了一種放料輥、收料輥的角位移進給量的 獲取方法及流程圖。除第一次步進，在其它的每次間歇式進給之前，首先分別通過讀取放 料輥和收料輥的角位移編碼器的當前實際位置xj&)和xw/0，然后根據(jù)前一 次進給前的實際位置xjll)、 xw/hl)，從而可計算得到前一次的實際角位移量，分別為Z^。(A^X"0-XXA:-1)和血w。(^^Xwy^)-X^ (hl)。由于柔性板較薄，在連續(xù)兩次步進進給的實際長度變化不大，因此可以將前一次的實際 進給量近似作為當前所需要的進給量，從而得到當前放料輥和收料輥需要 的角位移進給指令，即J;的y^^)和血UQa^^)。這里所確定的角位移進給指令就是前文所述位移參考指令xd轉換為角位移后放料輥和收料輥當前各自的角位移進給指令。得到角位移進給指令后，進一步根據(jù)要求的進給速度和加速度，獲得線位移同步相應的角位移速度和加速度剖面，最 終通過閉環(huán)控制完成各料輥的同步運動。為保證基板張力的穩(wěn)定性，無論間歇式進給程序是否運行，根據(jù)設定 的張力值使張力均始終處于閉環(huán)狀態(tài)，并通過不斷修正角位移指令，間接 調(diào)整從動料輥的角位移量，從而達到最終保持張力穩(wěn)定的目的。為了獲得第一次放料輥和收料輥所需的角位移參考指令JJ^⑨、zbw(&)，其中k-l?？稍谶M給前通過分別測量放料輥和收料輥上料巻的巻徑，然后根據(jù)公式=x, x放料輥角位移編碼器脈沖數(shù)/轉 Xl" )_ 2;rx放料輥初始半徑_ & x收料輥角位移編碼器脈沖數(shù)/轉 Xwr( )_ 2;rx收料輥初始半徑分別計算出放料輥和收料輥角位移初始參考指令^W④、血w^);也可在第 一次進給時將放料輥和收料輥的角位移初始參考指令指定為零，即zl;(^H)、 zbw(^H)，在主動輥的位移參考指令保持不變，仍然為Xd的情況下，采用較低的角加速度剖面完成第一次間歇式進給，隨后轉換為高速間 歇式進給。由于放料側張力和收料側張力始終處于閉環(huán)狀態(tài)，因而即使在 低加速度剖面下運行，仍然能夠實現(xiàn)柔性基板間歇式進給中精確定位的同 時保持放料側和收料側張力的穩(wěn)定。下面結合具體實施例對本發(fā)明進一步說明。圖4為具體實施例的控制系統(tǒng)結構框圖。用于實現(xiàn)射頻識別電子標簽封裝中柔性基材的間歇式進給與定位。
具體實施方式
以工控機、Turbo PMAC多軸運動控制卡、A/D轉換 卡、張力傳感器、放大器和安裝有編碼器的執(zhí)行器及其配套的驅動器來完 成的。基板輸送裝置共占用了TurboPMAC運動控制卡26的5個通道，其 中一個通道與執(zhí)行器13、驅動器12和編碼器14 一起通過位置閉環(huán)控制用 于基板的主動送料。放料輥4和收料輥7各占用兩個通道，通過分別驅動 伺服電機23A、23B實現(xiàn)位置和張力閉環(huán)控制。A/D轉換卡30為ACC^8A， 占用了 2路通道用于分別將放料側和收料側的張力經(jīng)張力傳感器18A、 18B9和放大器17A、 17B放大后的模擬信號轉換為數(shù)字信號接入Turbo PMAC 運動控制卡26。工控機25作為人機交互的上位機，將Turbo PMAC運動控 制卡26安放在工控機內(nèi)，通過PCI總線實現(xiàn)上下位機之間通信。張力傳感 器18A、 18B和放大器17A、 17B可以采用三菱LX-030TD和LM-IOTA。 由于伺服電機動態(tài)響應快，維護簡單，本實施例中的執(zhí)行器13、 23A、 23B 均采用了交流伺服電機，并分別安裝有8192脈沖/轉的光電編碼器14、22A、 22B。為實現(xiàn)本發(fā)明的控制功能，對Turbo PMAC卡提供的標準控制模式進 行修改。放料輥4和收料輥9的控制均采用雙環(huán)級聯(lián)(Cascading Servo Loops)控制模式，其中外環(huán)為張力環(huán)，其反饋指向A/D轉換的輸入地址， 經(jīng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后的輸出并不直接控制伺服電機，而是分別指向不同的暫存 器；作為內(nèi)環(huán)的位置環(huán)，其控制模式修改為偏移模式，使其一方面接收來 自指令生成器的位置指令A，另一方面同時接收上述暫存器的輸出xt，將 兩者之和作為實際位置指令Jcu。與實際位移比較經(jīng)收(或放)料輥位置調(diào) 節(jié)器20調(diào)節(jié)后經(jīng)收料輥驅動器19A (或放料輥驅動器19B)驅動收料輥伺 服電機22A (或放料輥伺服電機22B)運動。在實際編程時，將進給軸、放 料軸和收料軸定義在同一坐標系中，通過PMAC自帶軟件提供的指令在每 次間歇式進給前通過計算當前要求的角位移指令J;(Q和^W(Q，并通過 PMAC軟件提供的運動指令生成同步指令，進一步通過角位移閉環(huán)控制實 現(xiàn)各料輥的同步。同時，分別設定放料側和收料側張力值，并使該控制環(huán) 始終處于閉環(huán)狀態(tài)，通過實時修改角位移指令驅動放料輥和收料輥運動， 從而達到保持材料張力的穩(wěn)定的目的。
權利要求
1、一種卷到卷間歇式柔性基材傳輸?shù)膹埩刂品椒?，其中，放料輥和收料輥為從動料輥，驅動輥為主動料輥，該方法具體為單次步進時，采集主動料輥的實際位移，將其與設定的位移參考指令比較，根據(jù)比較結果控制主動料輥的運動，使主動料輥單次步進的實際位移與位移參考指令相等，實現(xiàn)主動料輥位移閉環(huán)控制；同時，采集從動料輥與主動料輥間基材的實際張力值和從動料輥的實際位移，將實際張力值與預定張力值比較，再將比較結果轉化為位移修正指令，用其修正上述位移參考指令得到從動料輥的實際位移參考指令；將從動料輥的實際位移與實際位移參考指令比較，根據(jù)比較結果控制從動料輥的運動，使從動料輥單次步進的實際位移與實際位移參考指令相等，實現(xiàn)從動料輥位移閉環(huán)控制。
2 、根據(jù)權利要求1所述的巻到巻間歇式柔性基材傳輸?shù)膹埩刂品?法，其特征在于，從動料輥第k+l次步進所需的角度進給量依據(jù)從動料輥 第k次步進的實際角度進給量確定，k為正整數(shù)。
3、一種實現(xiàn)權利要求l所述張力控制方法的裝置，其特征在于， 包括主動料輥執(zhí)行器(13)、主動料輥驅動器(12)、主動料輥位置調(diào)節(jié)器(11)和主動料輥位移傳感器(14)依次連接構成的主動料輥位移閉環(huán)控制電路；以及從動料輥位置調(diào)節(jié)器(20)、從動料輥驅動器(19)、從動料輥執(zhí) 行器(23)和從動料輥位移傳感器(22)依次相接構成的從動料輥位移閉 環(huán)控制電路；從動料輥位置調(diào)節(jié)器(20)還通過張力調(diào)節(jié)器(16)依次連 接A/D轉換器(15)、放大器(17)和張力傳感器(18)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種卷到卷間歇式柔性基材傳輸?shù)膹埩刂品椒?，采集主動料輥的實際位移，根據(jù)其與位移參考指令的比較結果控制主動料輥的運動，實現(xiàn)主動料輥位移閉環(huán)控制；同時，采集從動料輥與主動料輥間基材的實際張力值和從動料輥的實際位移，根據(jù)實際張力值與預定張力值的比較結果修正位移參考指令；將從動料輥的實際位移與修正后的位移參考指令比較，根據(jù)比較結果控制從動料輥的運動，實現(xiàn)從動料輥位移閉環(huán)控制。本發(fā)明還提供實現(xiàn)上述方法的裝置，包括主動料輥位移閉環(huán)控制電路、從動料輥位移閉環(huán)控制電路及與從動料輥位移閉環(huán)控制電路相接的張力反饋電路。本發(fā)明能夠避免大張力沖擊，保持基材張力穩(wěn)定性，實現(xiàn)柔性基板快速間歇式進給中精確定位。
文檔編號H01L21/56GK101324795SQ20081004837
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權日2008年7月11日
發(fā)明者尹周平, 權建洲, 熊有倫, 王瑜輝, 陳建魁 申請人:華中科技大學